Tepelné zisky vo výpočte letného prehrievania budov

1. Úvod

Problematika výpočtu tepelných ziskov sa javí ako dobre známa a zvládnutá. Má pevnú štruktúru zavedenú normou ČSN 730548 s názvom: Výpočet tepelnej záťaže klimatizovaných priestorov už v 80. rokoch minulého storočia. Lenže od tej doby sa v stavebníctve toho veľa zmenilo. V architektúre budov sa uplatňuje viac skla a transparentných prvkov, na obálke budov sú väčšie hrúbky tepelných izolácií a v dôsledku technologického pokroku narástlo každodenné používanie elektrických spotrebičov [2]. Vďaka globálne klimatickej zmene sa klimatizujú nielen niektoré verejné budovy ale všetky druhy budov, obytné nevynímajúc. Základná slovenská tepelnotechnická norma STN 730540:2012 [3] v článku 7.2.3 uvádza, že budovy na bývanie (rodinné domy, bytové domy, internáty a domovy dôchodcov) majú byť navrhnuté tak, aby nebolo potrebné zabezpečovať tepelnú pohodu počas letného obdobia klimatizáciou. To sa má dosiahnuť účinným tienením zasklených plôch a využitím tepelnej zotrvačnosti vnútorných konštrukcií spolu s efektívnym prirodzeným (alt. núteným) vetraním. Inak povedané, projektant má urobiť všetko preto, aby v obytnej budove nebolo potrebné používať v letnom období na dosiahnutie stavu tepelnej pohody klimatizáciu. Predstava je taká, že teplo z vyšších vnútorných tepelných ziskov v určitých fázach dňa sa bude akumulovať do stavebných konštrukcií. V inej fáze dňa, najmä v noci a ráno, sa má vetraním z interiéru odviezť. Funkčnosť takéhoto návrhu sa preukazuje výpočtom pre kritický deň s hodinovým časovým krokom. Vnútorné tepelné zisky sa do výpočtu zadávajú s denným rozvrhom, pričom nie je presne stanovené ako takýto rozvrh vytvoriť. Návod, ako by to mohlo vyzerať, sa nachádza v tomto príspevku.

2. Vnútorné zisky a obsadenosť priestorov

Obr. 1 Denný režim obsadenosti v objektoch podľa spôsobu využitia: kancelária, bytový dom, reštaurácia, škola [5].

Problematika denných rozvrhov vnútorných tepelných ziskov je úzko spätá s modelmi obsadenosti bytu, kancelárie či inej miestnosti. Na obr. 1 je cez podiel užívateľov dokumentovaný model obsadenosti priemerného bytu, kancelárie, reštaurácie a školy. Pri tvorbe režimu vnútorných tepelných ziskov sa môžu používať vhodne zvolené extrémne, alebo štatisticky priemerné hodnoty. V prvom prípade je potrebné správne zvoliť reprezentatívny rozvrh. Pretože žiadna norma nemôže presne vystihnúť reálne vnútorné tepelné zisky obytného priestoru, je vhodné sa oprieť aspoň o niekoľké štatistické výsledky, napr. priemernú ročnú spotrebu energie a podobne. Štatistiky s priemernými hodnotami obsadenosti sa môžu od seba líšiť a to podľa zvyklostí využívania času v jednotlivých krajinách. Najväčšie rozdiely sú medzi severskými a južnými európskymi krajinami [4]. Ak ide o štatisticky priemerné hodnoty, obsadenosť takmer nikdy nie je nulová a prechody z minimálnej na maximálnu obsadenosť sú pozvoľné, trvajú niekoľko hodín. Obsahujú aj určité iracionálne správanie a majú vyššiu mieru spoľahlivosti. Ich vytváraniu sa venuje značná pozornosť, najmä v súvislosti s využívaním obnoviteľných zdrojov energie. Vďaka digitalizácii sa významne zjednodušili možnosti pozorovania aj vyhodnocovania štatistických výskumov. V prípade, že by sme sledovali obsadenosť konkrétnej miestnosti v objekte v daný deň, teda nie z hľadiska priemerných parametrov, ale ako modelovú situáciu, môže sa režim obsadenosti, či celkovo režim vnútorných tepelných ziskov, podstatne líšiť od štatisticky priemerného. Zmeny v obsadenosti v tomto prípade môžu nastať skokovito. Pri zostavovaní náhodných profilov sa používajú Markovove reťazce. Výsledky zo simulačných programov, ktoré predpovedajú tieto náhodne procesy, sa sľubne zhodujú s realitou. Majú veľkú perspektívu a určite v budúcnosti nájdu svoje uplatnenie pri predpovedi ľudského správania.

3. Rozvrh vnútorných tepelných ziskov pre byt

V simulačných štúdiách sa v minulosti vytvárali relatívne jednoduché režimy, ktoré rozdeľovali deň do niekoľkých fáz s konštantnou hodnotou (napríklad ráno, cez deň, večer a v noci), oproti súčasným komplexnejším, ktoré menia hodnoty každú hodinu. Model obsadenosti bytového domu sa v skutočnosti vždy skladá z obyvateľov s odlišným správaním. Zo štatistického súboru 15 000 domácnosti v severoamerickom Massachusetts boli vybrané štyri profily obyvateľov s charakteristickým správaním, čím sa myslí čas odchodu z bytu a čas príchodu do bytu [6](obr. 2). Prvým je obyvateľ, ktorý z bytu odchádza zriedkavo. Reprezentuje človeka na dôchodku, pracujúceho z domu, materskej dovolenke alebo v chorobe. Druhý profil obyvateľov za rána odchádza z bytu do práce a vracia sa neskoro popoludní. Tretí profil obyvateľov odchádza z bytu ráno o niečo neskôr, ale vracia sa už skoro popoludní. Predstavuje najmä školopovinné deti a mládež. Posledný profil nezapadá do žiadnej z týchto schém, pretože zväčša v byte dopoludnia ostáva a odchádza popoludní, pričom sa vracia až neskoro večer. Môže predstavovať človeka na dovolenke, návšteve, pracujúceho brigádnicky popoludní a podobne. Model obsadenosti konkrétneho bytu alebo bytového domu je možné vyskladať z týchto štyroch profilov obyvateľov. Na obrázku 2 je pod názvom mix uvedený priebeh obsadenosti bytu, ktorý sa bude skladať z dôchodcu (alebo mamičky na materskej dovolenke), pracujúceho a dvoch školopovinných detí.

Uvedené modely obsadenosti majú platnosť len v pracovných dňoch, presnejšie od pondelka do štvrtku. Piatok je síce pracovným dňom, ale v štatistikách sa jeho režim odlišuje od ostatných pracovných dní, pravdepodobne pre nastávajúci víkend, a s tým spojenú prípravu, cestovanie a podobne. Vytvárať víkendové režimy vnútorných tepelných ziskov len na základe štatistických zistení, je dosť komplikované. Nie sú tam pevné zákonitosti. V prípade bytových domov sa predpokladá v priemere o niečo vyššia obsadenosť ako v pracovný deň. Pre víkendový režim sa profil pracujúceho a školopovinného dieťaťa môže zmeniť na profil dôchodcu, prípadne návštevníka.

Obr. 2 Obsadenosť bytu podľa druhu obyvateľov [6]

Obr. 3 Príklad modelu obsadenosti bytu podľa druhu miestnosti a dňa v týždni

4. Návrh štandardného rozvrhu vnútorných tepelných ziskov bytu

Napriek veľkej rozmanitosti, ktorá je spojená s tvorbou profilov vnútorných tepelných ziskov existuje potreba štandardizovaného rozvrhu, pretože zvolený rozvrh bude významne ovplyvňovať výsledky a rozhodovať o tom, či navrhovaná budova spĺňa požiadavku na najvyšší vzostup teploty v letnom období, resp. či bude dochádzať k prehrievaniu. Na obr. 4 a 5 je uvedený návrh rozvrhu tepelných ziskov od ľudí a prístrojov, pričom hodnoty vychádzajú z priemernej obsadenosti bytu na m² a z tepelnej záťaže 70 W na dospelú osobu mužského pohlavia.

Rozvrh tepelných ziskov z osvetlenia sa tu neuvádza, pretože je málo významný. Pri tvorbe rozvrhu tepelných ziskov z osvetlenia je potrebné vziať do úvahy rozdiely v používaní osvetlenia v rámci ročných období. V čase, keď hodnotíme letné prehrievanie, je vždy slnečný deň s vysokými hodnotami jasov a vnútorné tepelné zisky z osvetlenia budú aplikované len vo večerných hodinách. Je to rozdiel oproti kancelárii, kde sa požaduje vysoká úroveň osvetlenia aj počas dňa. Vnútorné tepelné zisky z osvetlenia sú v súčasnosti silno ovplyvnené typom zdroja, pričom najväčší rozdiel je medzi žiarovkami a LED osvetlením, kde je pri rovnakej úrovni osvetlenia rozdiel 10 až 20 násobný [7].

Obr. 4 Návrh rozvrhu (harmonogramu) tepelných ziskov v byte od ľudí

Obr. 5 Návrh rozvrhu (harmonogramu) tepelných ziskov v byte od prístrojov

V dôsledku technologického pokroku pribúdajú v domácnosti spotrebiče (mikrovlnky, mrazničky, rýchlo-varné kanvice, umývačky riadu, sušičky, počítače a iné). Podiel malých spotrebičov na spotrebe elektrickej energie narástol zo 41 % v roku 2000 na 54 % v roku 2012, kedy priemerná ročná spotreba elektrickej energie spotrebičmi v domácnosti prestavovala 1 850 kWh. Najväčšími spotrebičmi energie sú chladnička, umývačka riadu, mraznička, pračka a sušička [8]. Problematické je určiť podiel medzi konvektívnou a sálavou zložkou tepelných ziskov od domácich spotrebičov. Podľa typu spotrebiča sa môže pohybovať od 40 % sálaním a 60 % konvekciou pre práčku, cez 60 % sálaním a 40 % konvekciou pre umývačku riadu, do 100 % konvekciou pre chladničku. Priemer podľa ASHRAE [9] pre malé domáce spotrebiče je 60 % sálaním a 40 % konvekciou.

5. Stupne komplexnosti rozvrhov

Pri tvorbe rozvrhov vnútorných tepelných ziskov je možné zvoliť viaceré prístupy odlišujúce sa svoju komplexnosťou:

1. Celoplošná hodnota vs. Diverzifikácia – jednotný rozvrh tepelnej záťaže od ľudí môže byť aplikovaný pre všetky miestnosti v byte, alebo každá jedna miestnosť bude mať svoj vlastný rozvrh. Táto podrobnosť má zmysel najmä pri hodnotení tepelnej pohody. Grafy na obrázkoch 6 a 7 ukazujú, aký môže byť rozdiel v priebehoch teploty vnútorného vzduchu ak je rovnaký režim použitý na celý byt, alebo každá miestnosť má svoj rozvrh.
2. Izolovaný prístup vs. Korelácia – tepelný zisk od jednotlivého človeka môže byť zadaný pevnou hodnotou, alebo hodnotou, ktorá sa bude meniť podľa tepelných podmienok v danej miestnosti. To však vyžaduje robustnejšie numerické modely s dynamickou koreláciou veľkosti tepelnej záťaže od ľudí a klimatických podmienok v miestnosti. Ak takáto možnosť nie je, minimálne je možné zohľadniť vzostup a pokles teploty vzduchu v dennom harmonograme tepelnej záťaže. V skutočnosti sa mení podiel medzi sálavou a konvektívnou zložkou tepelného zisku, čo by bolo tiež potrebné zohľadniť.

Najkomplexnejšou formou zadávania tepelných ziskov je zadávanie rozvrhu s diverzifikáciou a koreláciou na vnútornú klímu. Najjednoduchším spôsobom zadávania je naopak fixná hodnota aplikovaná celoplošne bez korelácie na vnútornú klímu. Nakoľko simulácie majú byť reprezentovaním reálnych skutočností v počítači a v realite sa počet ľudí v miestnosti počas dňa významne mení, za akceptovateľné v simulačnom výpočte by sa malo považovať len používanie modelov s hodinovým rozvrhom. Zadávanie pomocou fixnej hodnoty počas celého dňa je vhodné len pre rôzne teoretické parametrické štúdie a hrubé porovnania.

6. Test spôsobu tvorby rozvrhu

Z dôvodu poukázania na rozdiely vo výsledkoch simulácie letného prehrievania bytu pri použití celoplošnej hodnoty a rozdelení (diverzifikácie) vnútorných tepelných ziskov podľa druhu miestnosti bol vytvorený modelový príklad simulácie medziľahlého podlažia bytového domu sústavy T06B v programe EnergyPlus (obr. 6).

Obr. 6 Geometria viaczónového simulačného modelu časti bytového domu (202 – obývacia izba, 203 – izba, 204 – izba, 205 – kuchyňa, 207 – kúpeľňa, 208 – spálňa)

Obalové konštrukcie modelu tvorí panel z troskomezobetónu hrúbky 300 mm zateplený penovým polystyrénom hr. 200 mm a okná s tepelnoizolačným trojsklom a vnútorným tienením tkaninou. Vnútorné nosné steny sú zo železobetónu s hrúbkou 150 mm, priečky s hrúbkou 80 mm. Stropnú konštrukciu tvorí železobetónový panel hrúbky 120 mm. Skladbu podlahy tvorí penový polystyrén hrúbky 15 mm, betónová mazanina hrúbky 38 mm a podlahovina z PVC. Použitý bol letný týždeň klimatického referenčného roku pre mesto Ostrava z databázy IWEC. V augustový týždeň, s typicky teplým počasím, teplota vonkajšieho vzduchu zo dňa na deň stúpa. Nočné vetranie má priemernú intenzitu zodpovedajúcu oknu otvorenému vo ventilačnej polohe (1,0 1/h). Nižšia výmena vzduchu je viac-menej aj cez deň (2,0 1/h) s tým, že k intenzívnemu vetraniu otvorením okna dokorán (4,0 1/h) dochádza len ráno a večer. Dvere medzi miestnosťami boli trvalo zatvorené.

Na obr. 7 a obr. 8 sú dokumentované priebehy simulovanej teploty vzduchu v jednotlivých miestnostiach podľa spôsobu modelovania vnútorných tepelných ziskov. V prípade modelovania celoplošnou hodnotou sú dosiahnuté nižšie maximálne teploty v kritických miestnostiach (obývačka a kuchyňa). Vplyv diverzifikácie modelovania ziskov sa neprejavuje v miestnosti s menšími vnútornými ziskami (spálňa), simulované maximálne teploty vzduchu sú málo ovplyvnené spôsobom modelovania.

Obr. 7 Simulovaný priebeh teploty vzduchu počas leta v jednotlivých miestnostiach bytu s vnútornými tepelnými ziskami zadávanými pomocou harmonogramu s celoplošnou hodnotou a bez korelácie na vnútornú klímu

Obr. 8 Simulovaný priebeh teploty vzduchu počas leta v jednotlivých miestnostiach bytu s vnútornými tepelnými ziskami zadávanými pomocou harmonogramu s diverzifikáciou do jednotlivých miestností a bez korelácie na vnútornú klímu

7. Vplyv miešania vzduchu cez interiérové dvere

Obr. 9 Simulovaný priebeh teploty vzduchu počas leta v jednotlivých miestnostiach bytu s vnútornými tepelnými ziskami zadávanými harmonogramom s diverzifikáciou do jednotlivých miestností a bez korelácie a s miešaním vzduchu medzi miestnosťami cez dvere

Rozdiel vo výsledných simulovaných teplotách vzduchu v interiéri ovplyvňuje aj uvažovanie s miešaním vzduchu cez interiérové dvere. Teplejší vzduch v miestnosti s vyššími vnútornými ziskami (kuchyňa, obývačka) sa môže miešať cez obojsmerný komponent so vzduchom v chladnejších miestnostiach (chodba, spálňa a pod.). V prípade tejto simulačnej štúdie, ak sa simuluje miešanie vzduchu medzi miestnosťami cez komponent s konštantným obojsmerným prúdením 0,1 m³/s, rozdiel v maximálnej teplote vzduchu medzi jednotlivými miestnosťami bytu môže významne klesnúť. (obr. 9).

8. Záver a diskusia

Reprezentovať realitu pri simuláciách býva často zložité pre vplyv mnohých premenných na výsledok. Ako ukazuje simulačná štúdia v tomto príspevku, vplyv aplikácie vnútorných tepelných ziskov do konkrétneho režimu ako okrajovej podmienky má tiež nezanedbateľný vplyv na výsledok simulácie letného prehrievania. V prípade modelovania celoplošnou hodnotou (vo W/m²) sú dosahované významné rozdiely v teplotách v kritických miestnostiach (kritická je miestnosť s vyššími vnútornými tepelnými ziskami, napr. kuchyňa, jedáleň, obývačka). V miestnosti s menšími vnútornými ziskami sú simulované maximálne teploty len málo ovplyvnené spôsobom modelovania. Toto tvrdenie platí v prípade, že je vytvorený model bez miešania vzduchu medzi jednotlivými miestnosťami. Už aj malé miešanie vzduchu cez dvere významne zmenší rozdiel v maximálnej simulovanej teplote vzduchu medzi miestnosťami. V prípade, že sa modeluje miešanie vzduchu medzi jednotlivými miestnosťami, je možné bez väčšieho dopadu na presnosť zadávať vnútorné tepelné zisky celoplošne rovnakou hodnotou do všetkých miestností. Tu vzniká otázka, či bude model s určitým miešaním vzduchu cez dvere bližšie k reálnej prevádzke, alebo nie. Dá sa predpokladať, že v čase maxima teploty vnútorného vzduchu si budú chcieť obyvatelia zabezpečiť zvýšený pohyb vzduchu (prievan) otvorením okien a dverí. Jednoznačná odpoveď tu ale nie je. Závisí od konkrétnej situácie, či budú obyvatelia požadovať zatvorené dvere z dôvodu vyššieho súkromia a lepšej akustiky alebo nie.

Referencie:

1. LEVERMORE, G. – HOFFMANN, S. – RABENSEIFER, R. Comparison of TRYs for Bratislava. In: The Central Europe for Sustainable Buildings. Conference, Vol. 2, Praha, 2007, p. 593-598.
2. HALUZA, M. – MACHÁČEK, J. Spotřeba elektrické energie domácností, predikce a potenciální úspory pomocí BACS, tzb-info [online]. 2012, dostupné na internete: https://elektro.tzb-info.cz/8570-spotreba-elektricke-energie-domacnosti-predikce-a-potencialni-uspory-pomoci-bacs
3. STN 73 0540:2012 Tepelná ochrana budov. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov.
4. HETUS Harmonised European Time Use Survey. 2005, dostupné na internete: https://ec.europa.eu/eurostat/documents/3888793/5833013/KS-CC-05-001-EN.PDF/5af70d49-9012-444d-b6a0-f28a7677d8e4
5. internetové stránky spoločnosti REVIT (21-1-2020): https://knowledge.autodesk.com/support/revit-products/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2020/ENU/Revit-Analyze/files/GUID-D72DDB68-621C-4258-96FE-BEAD337B960E-htm.html
6. RAKHA, T. – ROSE, C. – REINHART, Ch. A framework for modelling occupancy schedules and local trips based on activity based surveys. In. Building Simulation Conference. Atlanta: ASHRAE/IBPSA-USA, 2014, s. 10-12
7. SMOLA, A. Je LED univerzálne a konečné riešenie? Nové princípy svetelných zdrojov. In 43. konferencia elektrotechnikov Slovenska, Poprad, Slovenský elektrotechnický zväz, 2015, s. 1240-1245, dostupné na internete: https://www.sez-kes.sk/assets/files/obsah/58-Smola_ZB0R43ko.pdf
8. EICHHAMMER W. Financing the Energy Efficient Transformation of the Building Sector in the EU. ADEME Editions, Paris. [online]. 2012, dostupné na internete: http://www.odyssee-mure.eu
9. ASHRAE, Handbook of Fundamentals, American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), Atlanta, USA, 2005.